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摘要：为了可以用响应曲面法优化一种桔梗皂苷提取工艺，将提取率作为优化指标对比不同提取方法，最终筛选获得最理想效果的方法。相较传统方法可以达到节能、省时、高提取率的方法优势，为提升桔梗皂苷提取率意义重大，且为开发保健食品提供参考。 本研究是一个积极探索发现新桔梗皂苷提取工艺的过程，实验所得结果对发现新的保健食品和结根皂苷药用创新有一定的科研借鉴。
关键词：桔梗皂苷;响应曲面法;超声提取
第一章 前言
（一）项目背景
由于皂苷能够达到抗炎、高干、降血脂的药用机理，所以在临床用药研究中引起广泛关注，并且桔梗皂苷具备了高温、抗毒、抗肿瘤、抗肥胖、利尿等作用，所以对桔梗皂苷提取率优化研究有重要实际意义。
（二）同类研究
在他人同类研究中，将桔梗作为实验材料，分析提取时间、提取温度、料液比相关单因素实验基础上，运用响应曲面实验设计研究了桔梗皂苷的提取条件，发现在38.03料液比、49.43min提取时间、1.09%提取液盐浓度下，高达0.899%桔梗皂苷提取率。
（三）研究创新
为了可以用响应曲面法优化一种桔梗皂苷提取工艺，为提升桔梗皂苷提取率意义重大，且为开发保健食品提供参考。
第二章 研究方法
（一） 科学方法
1.实验与观察
通过采用实验观察法，超声提取桔梗皂苷并计算桔梗皂苷总提取率，将桔梗皂苷总提取率作为实验指标，观察研究了料液比，桔梗粉末和水的比例，超声温度与超声时间，和超声功率所造成的桔梗皂苷提取率影响规律。并进行相应曲面优化实验，基于单因素实验分析所获结果基础上，运用了中心组合实验Box-Behnken方案，超声时间、超声温度、料液比作为自变量。
2.分析与讨论
首先对单因素实验结果进行分析讨论，包括料液比、超声温度、超声时间、超声功率所造成桔梗皂苷总提取率的影响，其次对响应曲面的设计结果进行分析讨论，再者建立了回归分析模型检验显著性获得实验自变量和桔梗皂苷提取率之间的回归分析结果，最后运用水提法提取桔梗皂苷的响应面进行分析讨论。
3.演绎与归纳
在本次研究中，通過实验循环往复的加深认知，并归纳每一个认知思维，对实验结论进行演绎归纳，并进行验证获得桔梗皂苷的提取工艺参数，和优化桔梗皂苷总提取率结果。
（二）科学原理
①分子构效原理;②有机化学;③生物学;④响应曲面法。
（三）实验部分
1.主要仪器及试剂
采用市面出售的桔梗根，正丁醇蒸馏水。多功能食品搅拌器（SJ260）、电子分析天平（ALC-1100.2）、旋转蒸发仪（R-205）、紫外可见分光光度仪、双频数控超声波清洗仪（KQ-500VDE）、高速离心机（TG16）。
2.实验方法
（1） 超声辅助提取桔梗皂苷和计算桔梗皂苷总提取率
在10.0g桔梗粉末内加入适量蒸馏水，运用超声波振荡辅助完成中皂苷提取，并过滤提取液对滤液进行收集。再次提取滤渣，对两次提取的提取液进行合并，正丁醇蒸馏水饱和溶液萃取浓缩滤液，并浓缩上清液后回收正丁醇饱和溶液，将所获淡黄色固体回收置入60°～70°恒温干燥箱内，直至干燥恒定质量，根据桔梗皂苷总提取率计算公式，所得桔梗皂苷总提取率。
（2）单因素试验
在单因素实验中，实验指标为桔梗皂苷总提取率，对桔梗粉末和水比例，超声温度、超声时间、超声功率所造成指标变化的影响规律。
（3） 响应曲面优化试验
基于单因素实验所获结果基础上，运用中心组合试验Box-Behnken设计方案，设定料液比（X1）、超声温度（X2）、超声时间（X3）作为实验自变量，分别以+1、0、-1表示自变量高中低水平（见表1）。根据响应曲面优化实验的方程式完成自变量编码，式中自变量编码值用表示，自变量真实值用表示，实验中心点自变量真实值用表示，自变量变化步长用X表示。
（四）结果与分析
1.单因素实验分析
（1）料液比影响桔梗皂苷总提取率
经实验发现30min超声时间、40℃超声温度、40W超声功率实验条件下，对料液比影响桔梗皂苷提取效果考察发现，1：10情况下可以获得最大的桔梗皂苷提取率
（2）超声时间影响桔梗皂苷提取率
经试验设定1：10料液比、40℃超声温度、40W超声功率实验条件下，对超声时间影响桔梗皂苷提取率，发现超声时间和桔梗皂苷总提取率之间呈正相关，随时间延长随之增加总提取率。但是过长的超声时间，也会在一定程度上破坏桔梗皂苷的部分成分生物活性，无法溶解有效成分，并增加杂质溶出量，所以根据实验发现30min作为最佳桔梗皂苷总提取率的超声时间。
（3）超声温度影响桔梗皂苷总提取率
对于1：10料液比、30min超声时间、40W超声功率实验条件下，对超声温度影响桔梗皂苷总提取率，实验发现超声温度的不断增加，桔梗皂苷总提取率呈先增后减的变化趋势。在40℃超声温度下获得了最高桔梗皂苷总提取率，在40℃之后仍然升温，发现桔梗皂苷总提取率逐渐降低。在高温长时间条件下，破坏了活性成分欠缺充分考虑，所以最佳超声温度为40℃。
（4）超声功率影响桔梗皂苷总提取率
对1：10料液比、30min超声时间和40℃超声温度实验条件下，对超声功率影响桔梗皂苷总提取率，经实验发现超声功率的不断变动，并未有明显的桔梗皂苷总提取率变化幅度，所以超声功率并未很大程度影响桔梗皂苷总提取率，所以设定实验超声功率在60W。
2.响应曲面优化设计分析
（见表2）作为因素水平实验设计结果，进行多元回归分析拟合多项式回归模型Box-Behnken。 3.建立回归分析模型进行显著性检验
运用Design Expert软件多元回归拟合上表数据，建立超声波·水提取法，对桔梗皂苷提取率设定Y，料液比、超声时间、超声温度三个自变量分别设定为X1、X2、X3的二次多项回归模型方程式如下：
（见表3）获得回归方差分析显著性检验结果，根据该检验结果证实了本次响应曲面优化分析模型的显著性较高（P<0.0001），残差也对该模型有较高影响显著，X1、X2和同样显著（P<0.00001），之间又显著（P<0.05）。证实了该回归模型达到和实际实验之间的较好拟合度，在回归分析方程中，超声温度该自变量作为显著影响因素，很大程度影响了桔梗皂苷的中提取率。自变量、响应值二者存在显著线性关系，证实能够运用于理论层面预测桔梗皂苷总提取率研究中。
4. 水提法桔梗皂苷提取响应面优化分析
根据多元回归方程响应面，并绘制等高线图对比任何两个影响因素，所影响的水提法桔梗皂苷提取量效应分析评价，对最佳水平范围确定发现，其中最为显著的两个影响因素交互效应，为超声温度和料液比交互效应，最优点与40℃超声温度、1：10料液比较接近，且在该点附近作为最大值。根据等高线图能够发现，料液比变化所影响提取率较超声温度要更加敏感。
超声时间和料液比达到显著交互效应，最优点与30min超声时间和1：10料液比十分接近，并在改点达到最大值。也根据结果可以发现超声时间改变影响提取率，较料液比改变影响提取率要更加敏感。
超声时间和超声温度同样达到显著交互效应，最优点与30min超声时间、40℃超声温度比较接近，且该点附近达到最大值。根据结果发现超声时间改变所影响提取率，较超声温度改变影响提取率要更加敏感。
超声温度同樣较显著的影响桔梗皂苷总提取率，具体表现在较陡的曲线，各因素间存在交互作用相关桔梗皂苷总提取率效应为曲面，再者就是来哦也比表现为较平缓曲线，该结果符合回归分析结果。
结论
通过本次实验计算，能够发现在1：9.75g/mL料液比、35℃超声温度、31min超声时间下获得最优化的桔梗皂苷提取工艺，并运用优化工艺提取桔梗皂苷，达到4.64%提取率。
特色与创新
该研究创新在运用实验观察法、演绎归纳法、归纳以往研究成果基础上，实验运用响应面法优化分析超声辅助提取桔梗皂苷工艺，对揭示皂苷药用机理，做到皂苷资源的充分利用，开发保健类食品有借鉴参考价值。
展望
本项目在进展中认真执行《XXXX项目管理方法》，重视每一个研究步骤的科学、规范化，建立科学合理指标体系基础之上，完善各实验细节，确保能够顺利完成本次项目。
致谢
本研究是在西安理工大学理学院**教授、西北大学生命科学院**博士、西安秦凯生物科技有限公司技术部**博士、以及西安高新一中**老师的悉心指导和关怀下完成的，在这一年间，从理论学习到论文设计、撰写都倾注了几位老师无数的心血和汗水。在此向我敬爱的老师致以衷心的感谢和最诚挚的祝福！老师严谨的治学态度和兢兢业业、一丝不苟的工作精神以及对本学科发展的洞察力和不断创新、开拓进取的精神深深的影响我、鼓励我、指引我，并从他们身上学到很多宝贵的知识和做人的道理，我想，这些都将成为我此生最宝贵的财富！
谨以此文献给敬爱的老师们、 亲爱的爸爸妈妈，以及培养我的高新一中。
参考文献：
[1] 庄星光， 韩春然， 邵金华，等. 响应曲面法优化提取虎舌红皂苷及抗脂质过氧化研究[J]. 食品工业， 2019， 040（002）：138-143.
[2]王艳艳， 汪郁琦， 闫金铭，等. Box-Behnken响应曲面法优化药对生-炒酸枣仁中总黄酮及总皂苷的提取工艺[J]. 化学工程师， 2020， v.34;No.292（01）：14-19.
[3]王玄源， 时庆欣， 刘梦君，等. 响应曲面法优化苦丁茶总皂苷的提取工艺[J]. 湖南中医杂志， 2018， 034（003）：167-170.
[4]杨长花， 刘峰， 户宪珍，等. 响应曲面法优化绞股蓝中总皂苷和总黄酮的提取工艺研究[J]. 陕西农业科学， 2018， 064（007）：52-56.
[5]赵大伟， 王浩博， 李佳丽， et al. Box-Benhnken响应曲面法优化五味子中木脂素的微波提取工艺[J]. 吉林农业， 2019， 447（06）：52-54.
[6]郗艳丽， 周旋， 马鹏，等. 响应面法优化女贞子多酚提取工艺条件及其抑菌活性研究[J]. 食品研究与开发， 2018， 039（011）：42-47.
关键词：桔梗皂苷;响应曲面法;超声提取
第一章 前言
（一）项目背景
由于皂苷能够达到抗炎、高干、降血脂的药用机理，所以在临床用药研究中引起广泛关注，并且桔梗皂苷具备了高温、抗毒、抗肿瘤、抗肥胖、利尿等作用，所以对桔梗皂苷提取率优化研究有重要实际意义。
（二）同类研究
在他人同类研究中，将桔梗作为实验材料，分析提取时间、提取温度、料液比相关单因素实验基础上，运用响应曲面实验设计研究了桔梗皂苷的提取条件，发现在38.03料液比、49.43min提取时间、1.09%提取液盐浓度下，高达0.899%桔梗皂苷提取率。
（三）研究创新
为了可以用响应曲面法优化一种桔梗皂苷提取工艺，为提升桔梗皂苷提取率意义重大，且为开发保健食品提供参考。
第二章 研究方法
（一） 科学方法
1.实验与观察
通过采用实验观察法，超声提取桔梗皂苷并计算桔梗皂苷总提取率，将桔梗皂苷总提取率作为实验指标，观察研究了料液比，桔梗粉末和水的比例，超声温度与超声时间，和超声功率所造成的桔梗皂苷提取率影响规律。并进行相应曲面优化实验，基于单因素实验分析所获结果基础上，运用了中心组合实验Box-Behnken方案，超声时间、超声温度、料液比作为自变量。
2.分析与讨论
首先对单因素实验结果进行分析讨论，包括料液比、超声温度、超声时间、超声功率所造成桔梗皂苷总提取率的影响，其次对响应曲面的设计结果进行分析讨论，再者建立了回归分析模型检验显著性获得实验自变量和桔梗皂苷提取率之间的回归分析结果，最后运用水提法提取桔梗皂苷的响应面进行分析讨论。
3.演绎与归纳
在本次研究中，通過实验循环往复的加深认知，并归纳每一个认知思维，对实验结论进行演绎归纳，并进行验证获得桔梗皂苷的提取工艺参数，和优化桔梗皂苷总提取率结果。
（二）科学原理
①分子构效原理;②有机化学;③生物学;④响应曲面法。
（三）实验部分
1.主要仪器及试剂
采用市面出售的桔梗根，正丁醇蒸馏水。多功能食品搅拌器（SJ260）、电子分析天平（ALC-1100.2）、旋转蒸发仪（R-205）、紫外可见分光光度仪、双频数控超声波清洗仪（KQ-500VDE）、高速离心机（TG16）。
2.实验方法
（1） 超声辅助提取桔梗皂苷和计算桔梗皂苷总提取率
在10.0g桔梗粉末内加入适量蒸馏水，运用超声波振荡辅助完成中皂苷提取，并过滤提取液对滤液进行收集。再次提取滤渣，对两次提取的提取液进行合并，正丁醇蒸馏水饱和溶液萃取浓缩滤液，并浓缩上清液后回收正丁醇饱和溶液，将所获淡黄色固体回收置入60°～70°恒温干燥箱内，直至干燥恒定质量，根据桔梗皂苷总提取率计算公式，所得桔梗皂苷总提取率。
（2）单因素试验
在单因素实验中，实验指标为桔梗皂苷总提取率，对桔梗粉末和水比例，超声温度、超声时间、超声功率所造成指标变化的影响规律。
（3） 响应曲面优化试验
基于单因素实验所获结果基础上，运用中心组合试验Box-Behnken设计方案，设定料液比（X1）、超声温度（X2）、超声时间（X3）作为实验自变量，分别以+1、0、-1表示自变量高中低水平（见表1）。根据响应曲面优化实验的方程式完成自变量编码，式中自变量编码值用表示，自变量真实值用表示，实验中心点自变量真实值用表示，自变量变化步长用X表示。
（四）结果与分析
1.单因素实验分析
（1）料液比影响桔梗皂苷总提取率
经实验发现30min超声时间、40℃超声温度、40W超声功率实验条件下，对料液比影响桔梗皂苷提取效果考察发现，1：10情况下可以获得最大的桔梗皂苷提取率
（2）超声时间影响桔梗皂苷提取率
经试验设定1：10料液比、40℃超声温度、40W超声功率实验条件下，对超声时间影响桔梗皂苷提取率，发现超声时间和桔梗皂苷总提取率之间呈正相关，随时间延长随之增加总提取率。但是过长的超声时间，也会在一定程度上破坏桔梗皂苷的部分成分生物活性，无法溶解有效成分，并增加杂质溶出量，所以根据实验发现30min作为最佳桔梗皂苷总提取率的超声时间。
（3）超声温度影响桔梗皂苷总提取率
对于1：10料液比、30min超声时间、40W超声功率实验条件下，对超声温度影响桔梗皂苷总提取率，实验发现超声温度的不断增加，桔梗皂苷总提取率呈先增后减的变化趋势。在40℃超声温度下获得了最高桔梗皂苷总提取率，在40℃之后仍然升温，发现桔梗皂苷总提取率逐渐降低。在高温长时间条件下，破坏了活性成分欠缺充分考虑，所以最佳超声温度为40℃。
（4）超声功率影响桔梗皂苷总提取率
对1：10料液比、30min超声时间和40℃超声温度实验条件下，对超声功率影响桔梗皂苷总提取率，经实验发现超声功率的不断变动，并未有明显的桔梗皂苷总提取率变化幅度，所以超声功率并未很大程度影响桔梗皂苷总提取率，所以设定实验超声功率在60W。
2.响应曲面优化设计分析
（见表2）作为因素水平实验设计结果，进行多元回归分析拟合多项式回归模型Box-Behnken。 3.建立回归分析模型进行显著性检验
运用Design Expert软件多元回归拟合上表数据，建立超声波·水提取法，对桔梗皂苷提取率设定Y，料液比、超声时间、超声温度三个自变量分别设定为X1、X2、X3的二次多项回归模型方程式如下：
（见表3）获得回归方差分析显著性检验结果，根据该检验结果证实了本次响应曲面优化分析模型的显著性较高（P<0.0001），残差也对该模型有较高影响显著，X1、X2和同样显著（P<0.00001），之间又显著（P<0.05）。证实了该回归模型达到和实际实验之间的较好拟合度，在回归分析方程中，超声温度该自变量作为显著影响因素，很大程度影响了桔梗皂苷的中提取率。自变量、响应值二者存在显著线性关系，证实能够运用于理论层面预测桔梗皂苷总提取率研究中。
4. 水提法桔梗皂苷提取响应面优化分析
根据多元回归方程响应面，并绘制等高线图对比任何两个影响因素，所影响的水提法桔梗皂苷提取量效应分析评价，对最佳水平范围确定发现，其中最为显著的两个影响因素交互效应，为超声温度和料液比交互效应，最优点与40℃超声温度、1：10料液比较接近，且在该点附近作为最大值。根据等高线图能够发现，料液比变化所影响提取率较超声温度要更加敏感。
超声时间和料液比达到显著交互效应，最优点与30min超声时间和1：10料液比十分接近，并在改点达到最大值。也根据结果可以发现超声时间改变影响提取率，较料液比改变影响提取率要更加敏感。
超声时间和超声温度同样达到显著交互效应，最优点与30min超声时间、40℃超声温度比较接近，且该点附近达到最大值。根据结果发现超声时间改变所影响提取率，较超声温度改变影响提取率要更加敏感。
超声温度同樣较显著的影响桔梗皂苷总提取率，具体表现在较陡的曲线，各因素间存在交互作用相关桔梗皂苷总提取率效应为曲面，再者就是来哦也比表现为较平缓曲线，该结果符合回归分析结果。
结论
通过本次实验计算，能够发现在1：9.75g/mL料液比、35℃超声温度、31min超声时间下获得最优化的桔梗皂苷提取工艺，并运用优化工艺提取桔梗皂苷，达到4.64%提取率。
特色与创新
该研究创新在运用实验观察法、演绎归纳法、归纳以往研究成果基础上，实验运用响应面法优化分析超声辅助提取桔梗皂苷工艺，对揭示皂苷药用机理，做到皂苷资源的充分利用，开发保健类食品有借鉴参考价值。
展望
本项目在进展中认真执行《XXXX项目管理方法》，重视每一个研究步骤的科学、规范化，建立科学合理指标体系基础之上，完善各实验细节，确保能够顺利完成本次项目。
致谢
本研究是在西安理工大学理学院**教授、西北大学生命科学院**博士、西安秦凯生物科技有限公司技术部**博士、以及西安高新一中**老师的悉心指导和关怀下完成的，在这一年间，从理论学习到论文设计、撰写都倾注了几位老师无数的心血和汗水。在此向我敬爱的老师致以衷心的感谢和最诚挚的祝福！老师严谨的治学态度和兢兢业业、一丝不苟的工作精神以及对本学科发展的洞察力和不断创新、开拓进取的精神深深的影响我、鼓励我、指引我，并从他们身上学到很多宝贵的知识和做人的道理，我想，这些都将成为我此生最宝贵的财富！
谨以此文献给敬爱的老师们、 亲爱的爸爸妈妈，以及培养我的高新一中。
参考文献：
[1] 庄星光， 韩春然， 邵金华，等. 响应曲面法优化提取虎舌红皂苷及抗脂质过氧化研究[J]. 食品工业， 2019， 040（002）：138-143.
[2]王艳艳， 汪郁琦， 闫金铭，等. Box-Behnken响应曲面法优化药对生-炒酸枣仁中总黄酮及总皂苷的提取工艺[J]. 化学工程师， 2020， v.34;No.292（01）：14-19.
[3]王玄源， 时庆欣， 刘梦君，等. 响应曲面法优化苦丁茶总皂苷的提取工艺[J]. 湖南中医杂志， 2018， 034（003）：167-170.
[4]杨长花， 刘峰， 户宪珍，等. 响应曲面法优化绞股蓝中总皂苷和总黄酮的提取工艺研究[J]. 陕西农业科学， 2018， 064（007）：52-56.
[5]赵大伟， 王浩博， 李佳丽， et al. Box-Benhnken响应曲面法优化五味子中木脂素的微波提取工艺[J]. 吉林农业， 2019， 447（06）：52-54.
[6]郗艳丽， 周旋， 马鹏，等. 响应面法优化女贞子多酚提取工艺条件及其抑菌活性研究[J]. 食品研究与开发， 2018， 039（011）：42-47.